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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. von einem Verfahren zur Herstellung eines Einspritzventils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Solche Einspritzventile sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2004 058 803 A1 ein Einspritzventil mit einem Ventilsitzträger bekannt, mit einem am Ende des Ventilsitzträgers sich befindlichen, eine Ventilöffnung umschließenden Ventilsitz, mit einer im Ventilsitzträger koaxial angeordneten, axial verschiebbar geführten Ventilnadel, die an ihrem dem Ventilsitz zugekehrten Nadelende eine mit dem Ventilsitz zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung zusammenwirkendes Ventilschließglied trägt, mit einem Elektromagneten zur Hubbetätigung der Ventilnadel, der einen inneren, hohlzylindrischen Magnetkern, einen äußeren Magnettopf, eine dazwischenliegende, an einem Anschlussstecker angeschlossene Magnetspule und einen dem Magnetkern axial gegenüberliegenden Magnetanker aufweist, der an dem vom Ventilschließglied abgekehrten Nadelende der Ventilnadel angeordnet ist, wobei Ventilöffnung und Ventilsitz am einteiligen Ventilsitzträger selbst ausgebildet sind, wobei Magnetspule und Anschlussstecker in einem kunststoffumspritzten separaten Spulenteil zusammengefasst sind.
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Die magnetisch leitenden Komponenten in elektromagnetischen Aktoren bzw. Elektromagneten zur Hubbetätigung der Ventilnadel weisen neben der magnetischen Leitfähigkeit auch eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Dadurch werden bei schnellen Änderungen im Magnetfeld, wie sie beim Schalten des Aktors auftreten, vergleichsweise hohe Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme wirken der Änderung des Magnetfeldes entgegen und verzögern so das Schaltverhalten. Die Dynamik des Aktors wird dadurch negativ beeinflusst.
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Beispielsweise kommen für den festen, einteilig kompakt ausgebildeten Magnetkern und für den beweglichen Magnetanker ferromagnetische (weichmagnetische) Materialien zum Einsatz wie beispielsweise 13%iger Cr-Stahl. Ändert sich in dem einen magnetischen Fluss führenden Magnetkern bzw. Magnetanker durch die Bestromung der Magnetspule die magnetische Flussdichte, so werden in dem Flussfeld senkrecht zur Flussrichtung Spannungen induziert, die Wirbelströme zur Folge haben. Diese Wirbelströme schwächen das magnetische Nutzfeld, da sie ein Gegenfeld aufbauen. Das Resultat ist ein in seiner Effektivität herabgesetzter Magnetkreis, der erfindungsgemäß verbessert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Einspritzventil und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass es möglich ist, in dem einen magnetischen Fluss leitenden Magnetanker des erfindungsgemäßen Einspritzventils durch das Einbringen einer elektrisch nicht oder nur gering leitenden Materialkomponente die durch die Betätigung des Aktors erzeugten Wirbelströme zu reduzieren. Durch die Reduzierung der Wirbelströme ist eine vergleichsweise schnelle Änderung des Magnetfeldes möglich. Durch eine schnellere Änderung des Magnetfeldes sind mit dem Aktor kürzere Schaltzeiten realisierbar und die Dynamik des Einspritzventils wird erheblich erhöht. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Einbringen einer nichtleitenden Materialkomponente auch in den Magnetkern oder in den Magnettopf möglich. Außerdem ist das Prinzip der Erfindung nicht auf den Einsatzbereich eines Einspritzventils begrenzt. Möglich ist die Reduktion von Wirbelströmen in allen Einsatzbereichen, in denen ein magnetischer Fluss geleitet wird. Nur beispielhaft sei ein Transformator genannt. Weiterhin vorteilhaft ist, dass das Einbringen der elektrisch nicht oder nur gering leitenden Materialkomponente in beispielsweise den Magnetanker oder den Magnetkern mittels Metal Injection Molding (MIM) und Ceramic Injection Molding (CIM) bzw. mittels 2-Komponenten MIM/CIM Verfahren möglich ist. Das MIM/CIM-Verfahren bietet den Vorteil, dass für vergleichsweise große Stückzahlen oder technisch anspruchsvolle und komplexe Bauteile (insbesondere auch im Mikrotechnikbereich) ein effizientes Fertigungsverfahren mit gleichzeitig vergleichsweise guter Einhaltung der Fertigungstoleranzen realisierbar ist. Durch den gut reproduzierbaren Prozess sind genaue und filigrane Bauteile herstellbar. Weiterhin sind Materialien mit gewünschten Stoffeigenschaften, wie beispielsweise geringe elektrische Leitfähigkeit, gezielt auch in komplexe oder komplizierte Bauteile einbringbar. Dieses Einbringen ist mittels MIM/CIM-Technik auf einfache Weise möglich, sodass der Fertigungsprozess verkürzbar ist und die Produktionskosten erheblich verringerbar sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetanker einen sich in axialer Richtung in der Wand parallel zur Haupterstreckungsrichtung erstreckenden zweiten Bereich aufweist, wobei der zweite Bereich im Wesentlichen aus dem elektrisch nichtleitenden Material gefertigt ist, wobei der zweite Bereich in radialer Richtung etwa gegenüber dem ersten Bereich in der Wand des Magnetankers angeordnet ist. Durch den zweiten Bereich ist es möglich, den elektrischen Fluss im Magnetanker zu reduzieren und den Effekt von Wirbelströmen weiter zu vermindern. Durch die gegenüberliegende Anordnung ist es möglich, das Entstehen von Wirbelströmen optimal zu verhindern.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetanker einen sich in axialer Richtung in der Wand parallel zur Haupterstreckungsrichtung erstreckenden dritten Bereich und einen sich in axialer Richtung in der Wand parallel zur Haupterstreckungsrichtung erstreckenden vierten Bereich aufweist, wobei der dritte Bereich und der vierte Bereich im Wesentlichen aus dem nichtleitenden Material gefertigt sind, wobei die vier Bereiche jeweils etwa um 90° in radialer Richtung zueinander versetzt in der Wand des Magnetankers angeordnet sind. Durch vier Bereiche aus nicht elektrisch leitendem Material ist es möglich, den elektrischen Fluss im Magnetanker größtmöglich zu reduzieren und den Effekt von Wirbelströmen größtmöglich zu vermindern. Durch die um 90° versetzte Anordnung ist eine optimale Wirbelstromunterdrückung möglich.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Bereiche sich jeweils in radialer Richtung über die gesamte Wanddicke der Wand des Magnetankers erstrecken. Weiterhin bevorzugt erstrecken sich die Bereiche über etwa 100%, 80% oder 50% der Wanddicke. Durch dünnere Bereiche aus dem nichtleitenden Material ist eine größere Festigkeit als bei durchgehenden Bereichen erreichbar. Dadurch ist der Magnetanker mechanisch vergleichsweise höher belastbar.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetanker mit den Bereichen als einteiliges Bauteil gefertigt ist und dass der Magnetanker mit den Bereichen mittels Metal Injection Molding (MIM) und Ceramic Injection Molding (CIM) gefertigt ist. Durch Fertigung mittels MIM bzw. CIM ist es möglich, den Vorteil der Erfindung (Reduzierung der Wirbelströme) mit den Vorteilen der MIM bzw. CIM-Technologie zu kombinieren. Das MIM-Verfahren bietet den Vorteil, dass für vergleichsweise große ein effizientes Fertigungsverfahren mit realisierbar ist. Durch den gut reproduzierbaren Prozess sind genaue und filigrane Bauteile herstellbar. Weiterhin sind Materialien mit gewünschten Stoffeigenschaften, wie beispielsweise geringe elektrische Leitfähigkeit, gezielt auch in komplexe oder komplizierte Bauteile einbringbar.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetventils. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und durch das Einbringen einer elektrisch nicht oder nur gering leitenden Materialkomponente ist es vorteilhaft möglich, die durch die Betätigung des Aktors erzeugten Wirbelströme zu reduzieren. Durch die Reduzierung der Wirbelströme ist eine vergleichsweise schnelle Änderung des Magnetfeldes möglich. Durch eine schnelle Änderung des Magnetfeldes sind mit dem Aktor kürzere Schaltzeiten realisierbar und die Dynamik des Einspritzventils wird erheblich erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetanker mit den Bereichen aus nichtleitendem Material als einteiliges Bauteil gefertigt wird und mittels Metal Injection Molding und Ceramic Injection Molding gefertigt wird. Durch Fertigung mittels MIM bzw. CIM ist es möglich, gewünschte Stoffeigenschaften, wie beispielsweise geringe elektrische Leitfähigkeit, gezielt auch in komplexe oder komplizierte Bauteile einzubringen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Einspritzventils gemäß dem Stand der Technik,
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2 schematische Darstellungen eines Magnetankers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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3 schematische Darstellungen eines Magnetankers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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Das in 1 im Längsschnitt schematisiert dargestellte Einspritzventil gemäß dem Stand der Technik wird in Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Es weist einen Ventilsitzträger 11, eine im Ventilsitzträger 11 koaxial angeordnete Ventilnadel 12, einen Elektromagneten 13 zum Betätigen der Ventilnadel 12, sowie einen Anschlussstutzen 14 zum Zuführen von Kraftstoff auf.
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Beim Herstellen des Ventilsitzträgers 11 wird in dessen Bodenbereich eine Ventilöffnung 15 und ein diese umschließender Ventilsitz 16 aus- bzw. angeformt. Im Boden des Ventilsitzträgers 11 ist auf der vom Ventilsitz 16 abgekehrten Außenseite eine Ausnehmung koaxial zur Ventilöffnung 15 eingeformt, in die eine Spritzlochscheibe 17 eingeklebt ist. An seinem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende ist der Ventilsitzträger 11 mit einer außen umlaufenden Ringnut 18 versehen.
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Die hohlzylindrische Ventilnadel 12 ist an ihrem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende zum Kraftstoffeintritt offen und trägt an ihrem dem Ventilsitz 16 zugekehrten anderen Ende ein Ventilschließglied 19, das mit dem Ventilsitz 16 zum Freigeben und Schließen der Ventilöffnung 15 zusammenwirkt. Zum Kraftstoffaustritt ist die Ventilnadel 12 mit einem radial durch die Zylinderwand hindurchgehenden Austrittsloch 20 versehen. An dem vom Ventilschließglied 19 abgekehrten Ende der Ventilnadel 12 ist ein Magnetanker 21 angeordnet, über den die Ventilnadel 12 in dem Ventilsitzträger 11 axial verschiebbar geführt ist. Eine innen am Ventilschließglied 19 ausgerichtete ebene Fläche 22 dient als Reflexionsfläche für einen Laserstrahl bei der Trockeneinstellung des Ventilhubs.
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Der Elektromagnet 13 umfasst neben dem mit der Ventilnadel 12 einstückig ausgebildeten Magnetanker 21 einen innenliegenden, hohlzylindrischen Magnetkern 23, einen außenliegenden, tiefgezogenen Magnettopf 24 und eine zwischen Magnetkern 23 und Magnettopf 24 einliegende Magnetspule 25, die aus auf einen Spulenkörper aufgewickelten Erregerwicklungen besteht. Die Magnetspule 25 ist an einem Anschlussstecker 26 angeschlossen. Der hohlzylindrische Magnetkern 23 ist an dem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende des Ventilsitzträgers 11 in diesen eingepresst. Seine Einpresstiefe bestimmt den Hub der Ventilnadel 12.
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Die Magnetspule 25 und der Anschlussstecker 26 sind zu einem kunststoffumspritzten Spulenteil 27 zusammengefasst, das auf den Ventilsitzträger 11 aufgeschoben wird. Auf das kunststoffumspritzte Spulenteil 27 wird der Magnettopf 24 aufgesetzt, der mit seinem Topfboden 241 den Ventilsitzträger 11 umschließt und mit seinem Topfmantel 242 am Topföffnungsrand einen am Ventilsitzträger 11 angeformten Radialflansch 111 nahezu spiellos übergreift. Der Radialflansch 111 ist in Höhe des Magnetkerns 23 an der Ventilnadel 12 angeordnet.
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Die Ventilnadel 12 wird mit ihrem Ventilschließglied 19 durch eine als Druckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 28 auf den Ventilsitz 16 aufgepresst. Hierzu stützt sich die Ventilschließfeder 28 einerseits in einer im Innern der Ventilnadel 12 ausgebildeten, radialen Ringschulter 121 und andererseits an einer Einstellhülse 29 ab, die in den Magnetkern 23 eingepresst ist. Die Einpresstiefe der Einstellhülse 29 bestimmt die Federvorspannung der Ventilschließfeder 28 und damit die Schließkraft der Ventilnadel 12. Bei geschlossenem Ventil ist zwischen den ringförmigen Stirnflächen von Magnetanker 21 und Magnetkern 23 ein Arbeitsluftspalt 30 vorhanden. Der Magnetkern 23, der Magnettopf 24, der Radialflansch 111 und der Magnetanker 21 bilden einen Magnetkreis.
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Der Anschlussstutzen 14 ist als separates Kunststoffspritzgussteil mit integriertem Filter 31 hergestellt. Er weist einerseits einen Ringsteg 141, der mit der Ringnut 18 am Ventilsitzträger 11 eine Klipsverbindung herstellt, und eine radial abstehende Montagenase 142 auf, die als Verdrehsicherung dient und zum lagerichtigen Einsetzen des Einspritzventils in eine Kraftstoffsammelleitung dient.
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Der in 2 links als Längsschnitt und rechts als Querschnitt schematisch dargestellte Magnetanker 21 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist zumindest teilweise im Wesentlichen eine Form eines Hohlzylinders auf. Der Magnetanker 21 weist eine Wand mit einer Innenfläche und einer Außenfläche auf. Der Magnetanker 21 ist am dem Ventilsitz 16 abgekehrten Nadelende der Ventilnadel 12 angeordnet. Beim Einschalten des Elektromagneten 13 wird der Magnetanker 21 durch das erzeugte Magnetfeld betätigt, indem der Magnetanker 21 durch eine magnetische Kraft zum Magnetkern 23 gezogen wird. Der Magnetanker 21 besteht im Wesentlichen aus einem ferritischen Material 200. Der Magnetanker 21 weist in einem ersten und einem zweiten Bereich 201, 202 ein im Wesentlichen elektrisch nicht oder nur wenig leitfähiges Material auf. Diese Bereiche 201, 202 erstrecken sich in axialer Richtung in der Wand des Magnetankers 21 und in radialer Richtung von der Innenfläche der Wand des Magnetankers 21 bis zur Außenfläche der Wand des Magnetankers 21. Diese Bereiche 201, 202 unterbrechen den elektrischen Fluss im Magnetanker 21 und verhindern bzw. vermindern das Fließen von Wirbelströmen im Magnetanker 21, die bei Betätigung des Elektromagneten 13 entstehen. Alternativ ist es möglich, nur den ersten Bereich 201 ohne den zweiten Bereich in den Magnetanker 21 einzubringen. Der Magnetanker 21 mit nur dem ersten Bereich 201 weist eine größere Festigkeit als der Magnetanker 21 mit den zwei Bereichen 201, 202 auf. Allerdings fließen in dem Magnetanker 21 mit nur dem ersten Bereich 201 größere Wirbelströme als im Magnetanker 21 mit den Bereichen 201, 202. Alternativ ist es möglich, mehr als zwei Bereiche 201, 202 in der Wand anzuordnen und dadurch die Wirbelströme erheblich zu reduzieren, wobei die Festigkeit des Magnetankers 21 abnimmt.
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Der Magnetanker 21 mit nicht elektrisch leitfähigen Bereichen 201 wird beispielsweise mittels eines kombinierten Metal Injection Molding (MIM) Verfahren und eines Ceramic Injection Molding (CIM) hergestellt. In ein Werkzeug bzw. eine Kontur des Magnetankers 21 werden die metallischen Komponenten und die keramischen bzw. nichtleitenden Komponenten mittels Pulverspritzgussverfahren eingespritzt. Anschließend werden die Komponenten getrocknet, entbindert und erhitzt bzw. gesintert.
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Die Herstellung mittels MIM bzw. CIM-Verfahren bietet den Vorteil, dass auch komplexe bzw. komplizierte Geometrien herstellbar sind. Mittels MIM-Technologie sind beispielsweise Bohrungen mit einem minimalen Bohrungsdurchmesser von etwa 0,4 mm herstellbar. Es sind beispielsweise weiterhin mittels MIM-Technologie Wandstärken herstellbar, die weniger als etwa 1 mm betragen. Dabei sind die Fertigungstoleranzen vergleichsweise gering. Mittels MIM-Technologie sind außerdem Oberflächen mit Dicken von etwa 1 μm herstellbar. Bei der Herstellung der Pulverspritzgießmassen werden Bindersysteme verwendet, um die Metallpulver für die Spritzgießmaschinen zu homogenisieren. Ziel der Aufbereitung ist die Ummantelung aller Metallpulverpartikel mit dem Bindersystem, die Verhinderung bzw. Zerstörung von Agglomeraten der Metallpulverkörner und die Herstellung eines möglichst homogenen Granulats (auch Feedstock genannt). Als Ausgangsmaterialien für das Spritzgießen von Metallpulver können beispielsweise alle sinterfähigen Pulver mit geeigneter Korngröße eingesetzt werden, wie beispielsweise Metalle, Hartmetalle, Stahlmaterial, niedriglegiertes Stahlmaterial, Edelstahlmaterial, Edelmetalle, Carbonyleisenmaterial, Carbonyleisenmaterial mit etwa 50% Massenanteil Nickel, Wolframcarbid mit etwa 12% Massenanteil Kobalt sowie Metalllegierungen insbesondere Supralegierungen. Die Körner des verwendeten Metallpulvers weisen bevorzugt eine mittlere Korngröße von etwa 4 μm bis etwa 20 μm auf. Es ist weiterhin möglich, Silikatkeramiken, Oxidkeramiken oder Nichtoxidkeramiken zu verwenden, beispielhaft seinen nur Aluminium-, Magnesium-, Zirkoniumoxid, Aluminiumtitanat und Piezokeramiken genannt, sowie Carbide oder Nitride.
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Zur Formgebung wird der Feedstock mittels einer beheizten Schnecke in gekühlte beispielsweise flüssigkeitsgekühlte (insbesondere Kühlung durch Wasser oder Öl) Werkzeuge eingepresst. Die Förderschnecken und -zylinder sind bevorzugt aus vergleichsweise hartem Material gefertigt, insbesondere aus Stahlmaterial oder aus Bimetallmaterial. Nach dem Spritzgussprozess werden die Bauteile (auch Grünlinge genannt) aus dem Werkzeug entformt.
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Als Rindersystem sind Wachsmaterialien verwendbar. Durch vergleichsweiselangsames Erwärmen wird das Wachsmaterial aus dem Grünling ausgeschmolzen. Dieser Vorgang wird als Entbinderung und das dann vorliegende poröse Formteil als Braunling bezeichnet. Weiterhin sind als Bindersysteme Thermoplastmaterial, Polyalkohole, Polyoxymethylen (POM) oder Polyvinylalkohole verwendbar.
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Durch das abschließende Sintern entsteht aus dem Braunling das Endprodukt. In einem Sinterofen wird der Braunling erwärmt. Die Temperatur beträgt vorzugsweise etwa 1200°C bis etwa 1300°C. Das Sintern erfolgt bevorzugt in einer Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff oder Wasserstoff weiterhin bevorzugt in einem Vakuum.
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Durch die Anwendung des MIM-Verfahrens sind die Fertigungskosten vergleichsweise erheblich reduzierbar. Mittels MIM-Verfahren lassen sich komplexe und komplizierte Geometrien herstellen und verschiedene Werkstoffe zu einem einteiligen Bauteil fertigen.
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Alternativ ist es möglich, dass der Magnetkern 23 oder der Magnettopf 24, ähnlich wie der dargestellte Magnetanker 21, mit nur einem oder auch mehreren Bereichen mit elektrisch nicht leitfähigem Material zu versehen, um die Wirbelströme in diesen Bauteilen zu reduzieren.
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Der in 3 links als Längsschnitt und rechts als Querschnitt schematisch dargestellte Magnetanker 21 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist vier Bereiche 201, 202, 203, 204 aus nicht oder nur gering leitendem Material auf. Durch die vier Bereiche 201, 202, 203, 204 ist eine erhebliche Reduzierung der Wirbelströme im Magnetanker 21 möglich. Zur Erhöhung der Festigkeit erstrecken sich die Bereiche 201, 202, 203, 204 in radialer Richtung nicht über die Gesamtdicke der Wand sondern nur über etwa 80% der Gesamtdicke der Wand. Alternativ ist es möglich, dass sich die Bereiche 201, 202, 203, 204 nur über etwa 50% der Gesamtdicke der Wand erstrecken. Alternativ ist es möglich, dass der Magnetkern 23 oder der Magnettopf 24, ähnlich wie der dargestellte Magnetanker 21, mit nur einem oder auch mehreren Bereichen mit elektrisch nicht leitfähigem Material zu versehen, um die Wirbelströme in diesen Bauteilen zu reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004058803 A1 [0002]
